4.1 Выбор материала с приемлемой криогенной теплопроводностью

Низкотемпературная теплопроводность различных материалов может отличаться на много порядков величины, и, к счастью, даже теплопроводность одного и того же материала может сильно изменяться за счет изменения числа дефектов или примесей в нем (рис. 3.16). Следовательно, нам нужно быть внимательными в выборе материала для низкотемпературного прибора. Низкотемпературные теплопроводности различных материалов, обычно используемых в низкотемпературных устройствах, представлены на рис. 3.16-21 и в табл. 3.2.

Для обеспечения хорошей теплопроводности следует выбирать Cu (но: металл является мягким; имеет заметную ядерную теплоемкость при Т < 0,1 К (разд. 3.1.6 и рис. 3.11), Ag (но: мягкий, дорогой) или Al (но: мягкий, является сверхпроводником ниже 1 К; паяется только по сложной технологии, см. разд. 4.2.2). Практически наиболее высокие проводимости этих металлов составляют κ ~ 10 Т [Вт/К·см], если они очень чистые; более типично κ ~ Т [Вт/К·см].

Для обеспечения термоизоляции следует выбирать либо пластики (тефлон, нейлон, веспел, РММА и др.), графит (осторожно, имеется много сортов), Al2O3, или тонкостенные трубки из нержавеющей стали (но: паяются только с агрессивным флюсом, который следует полностью отмывать; лучше использовать сварку), либо из Cu0,7 Ni0,3 (легче паять). Однако последние два материала могут быть слегка магнитными при низких температурах, что будет служить помехой для чувствительных магнитных экспериментов. В общем, стекла или материалы, состоящие из малых кристаллитов (для обеспечения фононного рассеяния), либо содержащие много дефектов и примесей (для электронного рассеяния) являются хорошими тепловыми изоляторами. Например, теплопроводность кварцевого стекла при 1 К составляет лишь около 1 % от теплопроводности кристаллического кварца при той же температуре. Наинизшая теплопроводность κ ≈ 5·10–6 Т1,8 [Вт/К·см] была наблюдена для ядерного графита AGOT (рис. 3.18, 20).

Если другие свойства не очень важны, то можно использовать алюминиевые сплавы или латунь благодаря их относительной дешевизне и, более всего, потому что они легко обрабатываются. Если применяются трубки, заполняемые жидким 3Не, 4Не или раствором изотопов гелия, то проводимость гелия — которая может быть достаточно большой (разд. 2.3.4 ,6 и рис. 2.11,16,17) — обычно доминирует. Эффект можно уменьшить путем использования капилляров с малым диаметром, чтобы сократить среднюю длину свободного пробега атомов гелия.

В каждом низкотемпературном приборе нужны провода для передачи сигнала от элементов прибора при комнатной температуре к низкотемпературным и обратно. Электрические вводы для малых токов следует делать из тонких константановых (ρ300K = 52,5 мкОм·см, ρ4K = 44 мкОм·см) или манганиновых (ρ300K = 48 мкОм·см, ρ4K = 43 мкОм·см) проволочек из-за их низкой теплопроводности и слабой температурной зависимости их электрического сопротивления. Однако, нужно учесть рост их электрического сопротивления и теплоемкости благодаря магнитным примесям при Т < 1 К (рис. 3.9). Этот эффект меньше для соединения PtW, которое становится предпочтительным при использовании в качестве проволки нагревателя для сверхнизкотемпературных применений; здесь рост теплоемкости за счет малых количеств магнитных примесей начинается только ниже 0,1 К (рис. 3.9). Если нужно передать к низкотемпературному элементу прибора большие электрические токи — например, к сверхпроводящим магнитам — то следует внимательно рассмотреть преимущество, получаемое при использовании хорошо проводящей проволоки с большим диаметром для уменьшения джоулева тепла, и недостаток, связанный с возрастающей теплопроводностью. Часто можно не использовать Cu провода. Конечно, в этом случае даже более важным является правильный отвод тепла с различных участков проводов на их пути к более низкотемпературным узлам. Оптимальные размеры вводов для больших токов в криостат были рассмотрены в [4.1-6] (см. также разд. 13.4). При Т < 1 К правильным выбором является использование сверхпроводящих проводов с их исчезающе малой теплопроводностью при Т → 0 (разд. 3.3.4, 4.2.2). Часто адекватный эффект достигается за счет покрытия манганиновой и константановой проволоки тонким слоем сверхпроводящего припоя (Тс ~7 К, см. ниже), чтобы иметь ввод с низкой теплопроводностью и нулевым электросопротивлением. При Т < 0,1 К можно использовать одножильную NbTi проволоку без Cu или даже без CuNi матрицы, если требуется по возможности наинизшая теплопроводность. В чрезвычайных случаях может быть использована тонкая проволочка из многожильной сверхпроводящей проволоки, но ее нельзя паять мягким припоем, так что необходимы точечная сварка или прижимные контакты [4.6,7]; эти технические приемы требуют некоторой практики перед тем, как их можно будет надежно использовать. Если соединение не должно быть сверхпроводящим, то можно удалить медное покрытие концентрированной азотной кислотой исключая концы проволоки, где должны быть сделаны паяные соединения. Еще лучшим методом является электролитическое покрытие сверхпроводящей проволоки слоем меди (используются 1л воды с, по крайней мере, 200 г Cu2SO4 , 27 см3 серной кислоты и плотность тока около 40 мА/мм2 между катодом NbTi и медным анодом). Такой же электролитический процесс может быть применен для покрытия нержавеющей трубки слоем меди, чтобы легче делать последующую пайку.

Для измерений малых сигналов следует проволоки скручивать попарно на их пути в криостат, жестко зафиксировать и хорошо заэкранировать, чтобы принять малые выходные сигналы датчиков (разд. 12.5). Конструирование коаксиальных криогенных кабелей и правильные теплоотводы от электрических вводов будет рассмотрена в разд. 13.3.